基于三维模型耳片接头几何参数敏感性分析

李杨

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000）

耳片接头多用于直升机关键结构连接处，用于传递较大的集中载荷。例如：平尾连接接头、短翼或挂梁连接接头、尾撑接头和直升机系留接头等关键部位，深入分析耳片结构强度对直升机安全性和可靠性起到关键的作用。

针对耳片接头的强度分析，大量学者已开展了相关研究。Antoni 等人提出了耳片在销轴加载条件下的解析模型，并计算了耳片内的应力分布[1]。Strozzi 等人采用有二维有限元模型研究了耳片在倾斜载荷作用下的弹性最大等效应力，并讨论了载荷方向、孔径与耳片宽度之比对耳片的影响[2]。何翔等人通过不同破坏形式的极限载荷计经验计算公式，探讨了耳片参数对耳片载荷效率系数的敏感度[3]。李辉等人开展了不同尺寸钛合金耳片的静载试验，确定不同几何参数下耳片受轴向载荷下的破坏形式[4]。回丽等人针对不同挤压投影面积情况下耳片的破坏形式[5]。林长亮等人通过对耳片接头进行拉伸断裂试验，确定接头的断面主要集中在耳片开孔中心位置[6]。本文基于三维有限元模型，分析耳片几何参数对耳片结构强度的影响情况，为工程实践中耳片接头的结构设计提供帮助。

1 几何参数定义

耳片主要几何参数如图1 所示。耳片位于300×300×40mm 的底座上。耳片各个参数分别定义如下：D 为螺栓孔直径、L 为螺栓孔圆心到底座的距离、b 为耳片径向最小宽度、t为耳片厚度、θ 为斜耳片相较于竖直方向的角度、β 为螺栓孔上的点与x 轴的角度。经初步计算，确定L 及b 变化对耳片应力响应影响较小，后文将主要分析在轴向和横向载荷作用下，其余参数对耳片应力响应的影响。

图1 耳片参数示意图

2 有限元模型建立

2.1 耳片接头简化模型建立

基于商业有限元分析软件ABAQUS 建立耳片接头及螺栓的简化三维模型。该模型将单耳接头底座进行简化，去掉连接固定的螺栓孔，将底座简化为一个完整的平板；将单双耳连接螺栓简化为圆柱形几何体。耳片材料选用7050-T7451 高强度铝合金，弹性模量为71GPa，泊松比为0.33，材料屈服极限为427MPa。螺栓通常为不锈钢或钛合金，刚度远高于接头，为提高计算效率，利用ABAQUS 中的刚体约束(Rigid body)将螺栓定义为刚体。初始情况下，分别对螺栓施加50KN 轴向载荷和50KN 横向载荷，计算耳片的应力响应。

2.2 有限元模型计算结果

分别对螺栓施加轴向和横向载荷，载荷大小均为50KN。根据计算结果可得，轴向载荷作用下，应力分布关于YZ 平面基本对称，故提取螺栓孔边β 等于[0°,90°]范围内的应力结果进行分析，最大等效应力为200.6MPa，其位置出现在β 等于40°附近。横向载荷作用下，应力峰值出现在β 等于[-90°,0°]之间，故提取螺栓孔边[-90°,0°]范围内的应力结果进行分析，耳片接头最大等效应力为261.3MPa，出现在β 等于-60°附近。相同大小的横向和轴向载荷作用，横向载荷作用下，耳片接头应力响应峰值高。

3 耳片接头强度敏感性分析

3.1 θ 对耳片强度影响分析

本文中θ 取值为0°、15°、30°和45°，θ 为0°时即为直耳片情况。在轴向载荷作用下，改变θ 取值，应力峰值变化不大。在横向载荷作用下，改变θ 取值，耳片接头应力响应结果如图2 所示。由图可得，当θ 角度增大时，应力峰值降低，说明在横向载荷作用下，随θ 增加，耳片接头应力峰值降低，耳片强度提高。不同θ 值下，耳片重量如表1所示，Δσmax/Δm 为增加单位重量下耳片应力响应的变化量，该比值可以反映为提高耳片强度需要付出的重量代价，可直观体现耳片强度对耳片几何参数的敏感性。由表1 可得，横向载荷作用下，斜耳片相较于直耳片承载能力大幅提升，且随θ 角度的增加，单位质量耳片强度变化梯度逐渐降低，当θ 由45°增大到60°时，增加接头强度所需付出的重量代价很高，因此在进行接头设计时，除特殊对接需求外，θ 取值不宜过大。

图2 θ 取值对耳片应力响应影响图（横向载荷）

表1 θ 改变引起单位重量应力峰值变化情况（横向载荷）

3.2 t 对耳片强度影响分析

本文中t 取值分别为12mm、18mm、24mm、30mm 和36mm。在轴向载荷和横向载荷作用下，改变耳片厚度t 的取值，耳片接头应力响应结果分别如图3 所示。由图可得，无论在轴向载荷还是横向载荷作用下，厚度t 增大，耳片强度均提高。表2 为横向载荷作用下，单位重量应力变化情况，随着厚度的增加，单位重量耳片强度变化梯度逐渐降低，即当耳片厚度达到一定值后，为提高耳片强度继续增加耳片厚度，将付出更多的重量代价。

图3 t 取值对耳片应力响应影响图

表2 t 改变引起单位重量应力峰值变化情况（横向载荷）

3.3 D 对耳片强度影响分析

本文中D 取值分别为18mm、22mm、26mm、30mm 和34mm。在轴向载荷和横向载荷作用下，改变耳片直径D 的取值，耳片接头应力响应结果如图4 所示。由图可得，在轴向或横向载荷作用下，随D 值的增加，耳片接头应力峰值均降低。横向载荷作用下，单位重量改变应力峰值变化梯度如表3 所示，据表可得，由于改变耳片螺栓孔直径造成整体重量变化较小，因此单位重量下应力峰值变化较大，即可通过增加孔径，在付出较小的重量代价，实现提高耳片接头强度。

表3 D 改变引起单位重量应力峰值变化情况（横向载荷）

图4 D 取值对耳片应力响应影响

4 结论

4.1 在轴向载荷或横向载荷作用下，耳片强度对耳片厚度t 和耳片直径D 的敏感度较高。

4.2 耳片厚度t 改变引起单位重量应力峰值变化存在明显的梯度递减，即通过不断增加耳片厚度提高耳片强度，将付出越来越高的重量代价。

4.3 在横向载荷作用下，含倾角θ 的斜耳片相较于θ等于0°的直耳片，耳片强度会有明显提升。